Enzimas y obras de arte

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    10-Aug-2015

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1. Introduccion Dentro del contexto de la conservacin y restauracin de obras de arte, el proceso de limpieza de las superficies policromadas es uno de los ms importantes y delicados. La suciedad acumulada, el deterioro y oscurecimiento de los barnices, as como la presencia de repintes u otras materias ajenas a la obra, pueden provocar variaciones notables en su aspecto esttico original. Estas alteraciones, adems de causar importantes modificaciones en su lectura e interpretacin, en ocasiones pueden suponer un factor de deterioro adicional para la obra de arte. As, el principal objetivo de las operaciones de limpieza es la eli- minacin selectiva de materiales degradados, suciedad y repintes, mediante la utilizacin de mtodos mecnicos o fsico-qumicos, sin que se vean afectados los componentes originales de la obra. Las sustancias utilizadas tradicionalmente en la limpieza de obras de arte se pueden agrupar en cinco categoras: abrasivos, reacti- vos alcalinos, tensoactivos, agentes quelantes y, fundamentalmen- te, disolventes orgnicos. Desde la antigedad clsica y hasta el siglo XVIII los procedimientos de limpieza se basaron principal- mente en la utilizacin de reactivos alcalinos, jabones y abrasivos (Caley, 1990). Los disolventes fueron utilizados de forma ms fre- cuente a partir del siglo XIX, despus de la introduccin de los bar- nices a la esencia (Masschelein-Kleiner, 1991); mientras que los tensoactivos, junto con los agentes quelantes, son mtodos ms recientes (Wolbers 2000: 27-126). En general, los sistemas citados como tradicionales presentan dos problemas fundamentales: la escasa especificidad en su accin y la elevada retencin que algunas de las sustancias empleadas pue- dan tener en la superficie de la obra de arte. La utilizacin de medios alcalinos presenta como principal inconve- niente sus valores de pH. A este respecto, las soluciones con un valor de pH superior a 8,5 pueden llegar a provocar la ruptura de la pel- cula pictrica oleosa, mediante un proceso de saponificacin1 de los aceites (Wolbers, 1990:101) y dar lugar a una prdida irreversible de su poder de cohesin. Otra consecuencia del tratamiento con disolu- ciones alcalinas es el efecto conocido como blanqueamiento2 de la policroma y que, segn Burnstock y Learner (1992), podra deberse a la prdida de cohesin entre el pigmento y el aglutinante. Diversos autores han estudiado los efectos que los disolventes or- gnicos pueden provocar sobre las capas pictricas (Feller et al., 1985; Stolow, 1957a y 1957b; Phenix and Sutherland, 2001); entre estos efectos se podran citar los siguientes: > Los fenmenos de lixiviacin desarrollados sobre las pelculas de leo envejecidas provocan la eliminacin de componentes no poli- merizados y de molculas de pequeo tamao formadas durante el PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34024 Criterios Fundamentos y antecedentes de la utilizacin de enzimas en tratamientos de limpieza Isabel Blasco Castieyra > Sonsoles de la Via Ferrer > Margarita San Andrs Moya Dpto. de Pintura-Restauracin. Universidad Complutense de Madrid Resumen Se plantean las posibilidades de empleo de las en- zimas en tratamientos de limpieza, como alterna- tiva a los mtodos tradicionales. Se describen todos los aspectos que hay que considerar para su utilizacin: tipo de enzimas, estructura, forma de actuacin y condiciones de trabajo. Asimismo, se revisan las publicaciones relacionadas con el em- pleo de este tipo de sistemas en tratamientos de restauracin, en las que se discuten su forma de aplicacin as como las condiciones que hay que tener en cuenta para su uso. Palabras clave Enzima Tratamiento Limpieza Conservacin Restauracin Hidrolasa Protena Residuos enzimticos Policroma 2. proceso de secado y envejecimiento, los cuales actan como plastifi- cantes (Erhardt and Tsang, 1990). Como consecuencia, se produce una disminucin de la elasticidad de la pelcula pictrica con el con- siguiente aumento de su dureza y fragilidad (Hedley et al., 1990). > El proceso de hinchamiento provocado por el propio mecanismo de actuacin de los disolventes orgnicos hace que el aglutinante experimente un aumento de volumen, que a su vez puede originar una compresin lateral de la pelcula y dar lugar a una posible al- teracin de tipo mecnico (Feller et al., 1985:54). > Algunos pigmentos pueden presentar mayor afinidad por los di- solventes utilizados en la limpieza que por el propio medio con el que estn aglutinados. > Otro problema importante es la toxicidad de los disolventes or- gnicos para el propio restaurador (Marchi e Ottogalli, 1999) y el efecto contaminante que ejercen sobre el medio ambiente. Los tensoactivos, de introduccin ms reciente en el campo de la restauracin, pueden ocasionar problemas por su elevada reten- cin en la obra y, en algunos casos, por su posible transformacin en sustancias muy reactivas, como son los perxidos. Algunos au- tores consideran que estos perxidos pueden potenciar el inicio de reacciones de degradacin, tras su descomposicin en radicales li- bres (Burnstock and White, 1990). Los agentes quelantes 3 , sustancias capaces de formar comple- jos solubles en agua con ciertos iones metlicos, se han utiliza- do como agentes de limpieza de superficies policromadas (Carly- le et al., 1990; Phenix and Burnstock, 1992; Wolbers, 2000:109- 126). Entre los ms empleados se encuentran las sales del cido ctrico (citrato de diamonio y citrato de triamonio) y el cido eti- lendiamino tetractico (EDTA). Sin embargo, el mecanismo de accin de estas sustancias parece que no se debe exclusiva- mente a su comportamiento como agente secuestrante. Segn Phenix y Burnstock (1992) tambin ejercen mecanismos de ad- sorcin, desfloculacin4 y dispersin de las partculas de sucie- dad, adems de tener cierto carcter tensoactivo. Por este moti- vo, existe un riesgo de que estos compuestos puedan daar las pelculas de leo. Por otra parte, ciertos agentes quelantes pre- sentan una gran afinidad por determinados iones; por ejemplo, el citrato forma complejos muy estables con los iones Fe3+ y Cu2+ . Por tanto, las pelculas con pigmentos ricos en estos iones, como ocres y tierras (ricos en Fe3+ ) o malaquita y azurita (ricos en Cu2+ ), sern ms vulnerables a la accin de este agente quelan- te (Phenix and Burnstock, 1992). Los problemas descritos han llevado a la bsqueda de sistemas de limpieza alternativos ms especficos y que provoquen el menor dao posible sobre las obras de arte. Las tendencias actuales estn, por tanto, orientadas al diseo de nuevas metodologas centradas en la utilizacin de sistemas menos agresivos y ms especficos, que acten nicamente sobre los materiales que se van a eliminar. Dentro de este contexto, surge el planteamiento de la utilizacin de enzimas como alternativa a los procesos de limpieza tradicionales, en aquellos casos en los que stos no resulten eficaces o se quie- ra evitar su accin inespecfica. Enzimas. Conceptos generales Antes de profundizar en los aspectos relacionados con la utiliza- cin de enzimas en procesos de restauracin, es conveniente revi- sar algunos conceptos generales relacionados con la estructura de estas macromolculas, su nomenclatura y tipos. Las enzimas son protenas sintetizadas en las clulas vivas que tie- nen la particularidad de presentar actividad cataltica. Como con- secuencia de esta propiedad, pueden aumentar la velocidad de ciertas reacciones qumicas de transformacin de una sustancia, designada sustrato, sin sufrir ellas mismas cambios permanentes en su estructura. Esta accin se consigue mediante la disminucin de la barrera energtica necesaria para que estas reacciones se desarrollen; este efecto se logra a travs de la formacin de un complejo intermedio enzima-sustrato, que posteriormente se trans- forma en el producto de la reaccin, recuperndose nuevamente la enzima libre (Lehninger, 1985:195; Fersht, 1985:25-26). Las protenas son largas cadenas de aminocidos unidos a travs de enlaces covalentes. Se conocen algo ms de veinte aminocidos distintos, que tienen en comn un tomo de carbono (llamado car- bono alpha; C) al cual se unen: un grupo carboxilo (COOH), un grupo amino (NH2) y un tomo de hidrgeno; la cuarta valencia del carbono est unida a un radical o cadena lateral, cuya naturaleza determina a su vez la del aminocido. Por tanto, los distintos ami- nocidos se diferencian en la estructura de su cadena lateral, que puede ser de naturaleza hidrofbica (apolar), polar o incluso pre- sentar carga a determinados valores de pH. Las protenas son, por tanto, polielectrolitos ya que poseen grupos funcionales ionizables que son de distinta naturaleza segn el pH del medio. El grupo amino se encuentra ionizado en forma catinica a pH cido (R-NH2 + H+ I R-NH3 + ), mientras que el grupo carboxlico est ionizado en forma aninica a pH alcalino (R-COOH + OH - IR-COO - + H2O). En el proceso de sntesis de las protenas, los aminocidos van unindose a travs de enlaces peptdicos, que se forman median- te una reaccin de condensacin que tiene lugar entre el grupo carboxlico de un aminocido y el grupo amino del siguiente, eli- minndose una molcula de agua (Fig.1). La secuencia concreta de aminocidos constituye la denominada es- tructura primaria de la protena. La naturaleza de estos aminocidos PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34 025 1 Hidrlisis del enlace ester que conduce a la formacin de un alcohol y la sal del cido co- rrespondiente 2 Blanching en ingls y Blanchiment en francs 3 Tambin conocidos como agentes secuestrantes 4 Desfloculacin: proceso de ruptura de agregados de partculas en unidades ms pequeas. En este caso la adsorcin del quelante, que presenta carga negativa a determinados valores de pH, hace que las partculas se separen por repulsin de las cargas del mismo signo 3. hace que las protenas adquieran una disposicin espacial concreta (helicoidal, plegamiento , estructura al azar), que a su vez puede plegarse en una estructura tridimensional caracterstica en el entor- no celular en el que se localizan; esta estructura tridimensional se denomina conformacin nativa de la protena y est estabilizada a travs de la formacin de interacciones de diversa naturaleza: no co- valentes (electrostticas, puentes de hidrgeno, hidrofbicas) o co- valentes (puentes disulfuro). Como consecuencia de esta estructura, las protenas son muy sensibles a los cambios que se producen en su entorno, es decir, temperatura, pH y la presencia de disolventes o de sustancias inicas. Una variacin en estos parmetros puede modificar las interacciones que la estabilizan y dar lugar a la prdi- da de su conformacin nativa en un proceso denominado desnatu- ralizacin. Esta desnaturalizacin provoca una prdida de la funcio- nalidad de la protena, que en el caso concreto de las enzimas se traduce en una prdida de su actividad cataltica. Generalmente, las enzimas se clasifican teniendo en cuenta el tipo de reaccin que catalizan, y se nombran aadiendo el sufijo asa al nombre que hace referencia a la reaccin catalizada. De esta forma se habla de: > Transferasas: catalizan reacciones de transferencia de ciertos grupos funcionales. > Oxidoreductasas: catalizan reacciones de oxidacin-reduccin. > Hidrolasas y liasas5 : catalizan la ruptura de enlaces qumicos. > Ligasas: catalizan la formacin de nuevos enlaces. > Isomerasas: catalizan la conversin de la molcula en una es- tructura espacial determinada. Una clasificacin ms completa debe considerar el tipo de sustra- to sobre el que se produce la transformacin. Dada la complejidad de este tema y para evitar confusiones, existe una comisin inter- nacional, la Comisin de Enzimas (EC) de la Unin Internacional de Bioqumica, que regula su nomenclatura. Segn esta Comisin, cada enzima viene caracterizada por un subndice de cuatro cifras (ECx.x.x.x), cada una de las cuales indica, respectivamente: clase o tipo de reaccin (1= oxidoreductasa, 2= transferasa, 3= hidrolasa, 4= liasa, 5= isomerasa, 6= ligasa), subclase o grupo funcional que es modificado, aspectos especficos de la reaccin y, por ltimo, el nmero progresivo de las enzimas que pertenecen a ese grupo. En el campo de la restauracin, y concretamente en el caso de los tra- tamientos de limpieza de obras de arte, las enzimas que presentan mayor inters son las hidrolasas (grupo n 3), ya que mediante la hi- drlisis selectiva de ciertas sustancias, se puede lograr la eliminacin de aquellos materiales que alteran la obra y se han vuelto irreversibles con el paso del tiempo. Dentro de las hidrolasas, existen diferentes subclases dependiendo del grupo funcional que es hidrolizado: > Enzimas lipolticas (EC3.1.x.x): enzimas digestivas indispensables para el metabolismo de las sustancias grasas. Dentro de este grupo son de especial inters las lipasas (EC3.1.1.3) que catalizan la hidrlisis de los triacilglicridos presentes en el aceite de lino, des- componindolos en glicerol y sus correspondientes cidos grasos. > Glicosidasas (EC3.2.x.x): enzimas digestivas que permiten la degra- dacin de los carbohidratos. Dentro de este grupo son de especial inters las -amilasas (EC3.2.1.1), que son capaces de hidrolizar los enlaces glicosdicos 1-4 del almidn, presentes en la harina. De- bido a su especificidad, estas enzimas no tienen efecto sobre la ce- lulosa6 , principal componente del papel y la madera. > Enzimas proteolticas (EC3.4.x.x): son enzimas capaces de degra- dar protenas como la gelatina, colas animales, casena y protenas del huevo. Algunas enzimas proteolticas presentan una gran es- pecificidad de sustrato, siendo capaces de reconocer e hidrolizar slo aquellos enlaces adyacentes a ciertos aminocidos. Las enzi- mas proteolticas presentan la particularidad de que, en ausencia de sustrato, pueden degradarse en un proceso conocido como au- tolsis 7 . Por tanto, dependiendo del tipo de sustancias que se quieran eli- minar en la obra, las enzimas utilizadas sern proteasas, lipasas o amilasas, las cuales fragmentarn, respectivamente, protenas, l- pidos o almidn. Aplicacin prctica de las enzimas, propiedades a considerar Dentro de las propiedades caractersticas de las enzimas, hay que destacar su especificidad, eficacia cataltica y estabilidad. Todas ellas estn relacionadas con su actividad cataltica y vienen determinadas, no slo por el tipo de enzima, sino tambin por la naturaleza del sus- trato y las condiciones del medio en que se encuentran. Una de las propiedades ms singulares de las enzimas es la es- pecificidad que presentan por ciertos sustratos, lo cual supone una gran ventaja para su uso en procesos de restauracin de obras de arte. Las enzimas estn intrnsecamente dotadas de selectividad, no slo por el tipo de sustancia que transforman, el sustrato, sino tambin por el tipo de reaccin que catalizan. La formacin del complejo enzima-sustrato tiene lugar en una pe- quea regin de la enzima denominada centro activo (Price and Stevens, 1989:139), el cual suele estar localizado en un hueco o cavidad de su propia estructura proteica. La especificidad enzim- tica reside inherentemente en este centro activo, que posee las di- mensiones correctas, as como la topologa y naturaleza adecua- das para acomodarse a un sustrato especfico. Adems, dentro de este centro activo se encuentran tambin los grupos funcionales implicados en la reaccin cataltica. Algunas enzimas poseen una especificidad casi absoluta con res- pecto a un sustrato determinado y no actan sobre otras molcu- las aunque estn muy relacionadas estructuralmente; por el con- Criterios Fundamentos y antecedentes de la utilizacin de enzimas en tratamientos de limpieza Isabel Blasco Castieyra y otros PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34026 5 Hidrolasas: catalizan reacciones de hidrlisis (ruptura de enlaces) Liasas: catalizan reacciones de eliminacin con la formacin de un doble enlace o la adicin de grupos a dobles enlaces 6 La unin glicosdica de la celulosa es 1-4. Estos enlaces son hidrolizados por la celulasa (EC3.2.1.4) 7 Hidrlisis de los enlaces peptdicos de la propia enzima 4. PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34 027 Figura 1 Grfico 1 Figura 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 100 75 50 25 ActividadRelativa% pH del medio pH del medio R1 CH O R1 C NH2 OH H H OH C OCH N R1 CH O C NH2 OH + H2O aminocidos estructura general de los aminocidos R1 CH O R1 C NH2 H OH C OCH N enlace peptdico Sustrato Enzima con centro activo en forma relajada Complejo enzima-sustrato con centro activo en forma inducida 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 100 75 50 25 ActividadRelativa% Figura 1. estructura de un aminocido y enlace peptdico Figura 2. Modelo de encaje inducido (adaptado de Lehninger, 1985). Enzima libre con centro activo en forma relajada y cmo la unin del sustrato hace que la enzima se acople al mismo. Grfico 1. Variacin de la actividad enzimtica segn el pH del medio. 5. trario, otras enzimas actan sobre todo un mismo tipo de molcu- las con un comn denominador estructural, aunque lo hagan a ve- locidades diferentes (Lehninger, 1985:224). Se han propuesto varios modelos para explicar la selectividad de las enzimas sobre un determinado sustrato y su modo de actua- cin. El modelo inicial de la llave y cerradura, en el que la enzima y el sustrato eran consideradas estructuras estticas complemen- tarias (Fischer, 1894), ha sido ampliamente superado por el mo- delo del acoplamiento o encaje inducido (Koshland and Neet, 1968). Segn este ltimo, los grupos funcionales esenciales, si- tuados en el centro activo de la enzima libre, no se hallan en sus posiciones ptimas para promover la unin del sustrato a la enzi- ma cuando dicho centro activo no est ocupado. Sin embargo, la unin del sustrato a la enzima obliga a sta a adoptar una confor- macin favorable, en la que los grupos catalticos pueden iniciar la reaccin; es decir, se produce un encaje o ajuste inducido. En esta conformacin activa la molcula de enzima es inestable y, por tanto, en ausencia de sustrato, tiende a recuperar su conforma- cin nativa original (Lehninger 85:236) (Figura 2). Esta especificidad de sustrato hace posible que existan enzimas con capacidad para distinguir entre diferentes tipos de protenas. Esta propiedad permite que en una misma obra se pueda llevar a cabo la eliminacin selectiva de ciertos materiales proteicos, como por ejemplo un aglutinante de cola, sin afectar una capa pictrica ejecutada con temple de huevo. Esta caracterstica supone una gran ventaja en cuanto a las necesidades de selectividad en los procesos de limpieza de obras de arte, y no se consigue con los mtodos tradicionales citados anteriormente. Otra propiedad interesante de las enzimas es su eficacia. A este respecto, las enzimas catalizan las reacciones con una mayor efi- cacia que los catalizadores inorgnicos. Como ejemplo tenemos la reaccin de descomposicin del agua oxigenada en agua y oxge- no. En ausencia de catalizador, la energa de activacin necesaria para que suceda esta reaccin es de 75 kJ/mol. En cambio, la energa es de 50 kJ/mol en presencia de platino (catalizador inor- gnico) y disminuye hasta 8 kJ/mol en presencia de una enzima como la peroxidasa. Otra ventaja de las enzimas, respecto a los ca- talizadores inorgnicos, es que, aunque las enzimas son protenas y por tanto molculas relativamente frgiles, son capaces de desarrollar sus extraordinarios efectos catalticos en disoluciones acuosas diluidas, a pH biolgico y a temperatura moderada. Respecto a su estabilidad, las enzimas se pueden aislar de la es- tructura celular de la que proceden y pueden actuar independiente- mente de sta, tanto sobre sustratos naturales como sintticos; esta circunstancia ha permitido su utilizacin fuera del entorno celular, de forma controlada y no como parte del proceso asociado al biodete- rioro. Sin embargo, en estas condiciones, las enzimas sufren un pro- ceso progresivo de degradacin y pueden perder su funcionalidad ya que, como se ha mencionado, la conformacin tridimensional es im- prescindible para que desempeen su funcin. Por este motivo las enzimas tienen que ser utilizadas en unas condiciones semejantes a las del medio celular del que proceden. Hay que resaltar que estas condiciones de trabajo, adems de ser necesarias para que se man- tenga la actividad enzimtica, son en s mismas poco agresivas para el tratamiento de obras policromadas, a diferencia de lo que ocurre con otros procedimientos tradicionales de limpieza. En cuanto a su toxicidad, aunque las proteasas, lipasas y amilasas estn clasificadas como sustancias poco txicas, durante su mani- pulacin conviene tomar ciertas precauciones. Concretamente, si se encuentran en forma de polvo, es necesario evitar su inhalacin y el contacto con la piel. Sin embargo, una vez preparada la correspon- diente disolucin acuosa para proceder a su aplicacin, el uso de guantes de ltex ofrece una proteccin suficiente, lo cual representa una ventaja adicional para su empleo (Cremonesi, 1997:107). La utilizacin de enzimas en la limpieza de policromas. Factores implicados y condiciones operativas Para poder entender el mecanismo de accin de las enzimas en tratamientos de limpieza, hay que considerar la obra de arte poli- cromada como una superposicin de estratos, constituidos por sustancias de diversa naturaleza qumica. Estas sustancias son, fundamentalmente, las protenas, los lpidos y los polisacridos, principales compuestos orgnicos de origen natural utilizados como aglutinantes en las tcnicas pictricas tradicionales y tam- bin como adhesivos en numerosos procesos de restauracin. Las protenas se encuentran principalmente en la tcnica del tem- ple de huevo, en los barnices de clara de huevo y en la cola de ori- gen animal que es utilizada, por ejemplo, en la aplicacin de las capas de preparacin y en ciertos procesos de restauracin. Los lpidos forman parte de la composicin de los aceites secan- tes empleados en la tcnica del leo y tambin son lpidos las ceras de origen animal y vegetal, utilizadas como recubrimiento o adhesivo y como aglutinante en la tcnica de la encastica. Los polisacridos intervienen en la composicin de materiales tan diversos como los derivados de la celulosa, las gomas polisacri- das de origen vegetal, empleadas en tcnicas como la acuarela y en los adhesivos como el almidn. Todas estas sustancias forman pelculas con ciertas propiedades fisico-qumicas (adhesividad, flexibilidad, solubilidad...), que de- pendern tanto de su composicin inicial como de aquellos proce- sos desarrollados durante su endurecimiento y posterior envejeci- Criterios Fundamentos y antecedentes de la utilizacin de enzimas en tratamientos de limpieza Isabel Blasco Castieyra y otros PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34028 6. miento, que en mayor o menor grado afectarn a su estructura qu- mica original. Aunque slo los polisacridos y las protenas son sustancias ini- cialmente polimricas, de elevado tamao molecular, en el caso de los aceites secantes, los triacilglicridos poliinsaaturados que forman parte de su composicin se van entrecruzando8 formando redes de gran tamao molecular durante el proceso de polimeri- zacin asociado a su proceso de secado o endurecimiento. Por tanto, en cualquier caso, el resultado final es que la obra suele estar constituida por sustancias macromoleculares ramificadas y entrecruzadas que, una vez endurecidas y envejecidas, suelen pre- sentar una escasa solubilidad, tanto en agua, como en los disol- ventes orgnicos clasificados como disolventes dbiles (esencia de trementina, white spirit). Por esta razn, estos aglutinantes enveje- cidos son consideradas por los restauradores como de escasa re- versibilidad. La eliminacin selectiva de estas sustancias ser tanto ms difcil y arriesgada cuanto mayores sean aquellas modificaciones estruc- turales experimentadas durante el envejecimiento, especialmente si estn relacionadas con una disminucin de su reversibilidad. La utilizacin de mtodos de limpieza ms agresivos, tales como so- luciones alcalinas o disolventes polares poco voltiles y de elevada retencin, supondra un aumento del riesgo de actuar sobre las capas subyacentes que no se desean eliminar. Ante esta situacin, una posible alternativa sera la utilizacin de en- zimas hidrolticas que, por su especificidad, permitiran la eliminacin selectiva de estas sustancias envejecidas sin que se vean afectadas las capas subyacentes. En este caso, el mecanismo de actuacin es un proceso qumico de fragmentacin de estos materiales insolubles que son transformados en sustancias de menor tamao molecular que pueden llegar a ser solubles en el medio acuoso en el que se uti- lizan las enzimas, con lo que se facilita su eliminacin. Las primeras experiencias relacionadas con la utilizacin de enzi- mas en procesos de restauracin se realizaron en los aos sesen- ta (Sheridan, 1962). Las enzimas utilizadas en aquellas actuacio- nes fueron diversas hidrolasas (amilasas, lipasas y proteasas), que se emplearon con la finalidad de eliminar selectivamente algunos materiales que alteraban el estado de las obras. Hasta el momento, los ejemplos de aplicacin prctica de trata- mientos enzimticos en el campo de la restauracin constituyen casos aislados y muchas de las experiencias se han llevado a cabo sobre documento grfico; sin embargo, los resultados han sido positivos y han demostrado que esta nueva metodologa puede llegar a ser una alternativa interesante a los tratamientos tradicionales de limpieza de policromas y una prctica habitual en el taller de restauracin. A continuacin se describen los aspectos de mayor relevancia para la correcta utilizacin de enzimas en la restauracin de obras de arte; todos ellos han sido tratados, de forma ms o menos com- pleta, por los diferentes autores revisados. Eleccin de la enzima Lgicamente, la eleccin de la enzima estar determinada por la composicin del material que se pretende eliminar, as como por la del resto de los componentes de la obra que deben mantenerse inalterados (Cremonesi, 1997:102, Cremonesi, 2002:46). Con estos datos se puede establecer el tipo de enzima hidroltica nece- saria para resolver cada problema concreto (amilasa, lipasa o pro- teasa). Una vez seleccionado el tipo de enzima, se debe buscar entre aqullas que acten en unas condiciones operativas compa- tibles con las caractersticas de la obra en cuestin (pH, tempera- tura, tiempo y modalidad de aplicacin), lo que a su vez determi- nar el tipo especfico de enzima (Cremonesi, 2002:48-54). Por ejemplo, en el caso de que el tratamiento de limpieza se lleve a cabo sobre una pelcula de leo, no seran adecuadas aquellas en- zimas que acten a unos valores de pH superiores a 8,5, ya que estas soluciones podran provocar procesos de saponificacin si- milares a los que se desarrollan cuando se emplean disoluciones alcalinas. Respecto al conocimiento de los materiales de la obra, ya se ha mencionado que, adems de determinar la naturaleza de los mis- mos, sera conveniente conocer las alteraciones que han sufrido debido a los procesos de envejecimiento. El anlisis estratigrfico acompaado de tcnicas de tincin espec- ficas puede ser un punto de partida para posteriores anlisis ms exactos, que permitan la identificacin de las distintas capas que componen la policroma como sustancias de naturaleza lipdica, pro- teica o polisacrida. Cremonesi propone un mtodo emprico de de- terminacin de la naturaleza de los aglutinantes que componen la obra, basado en su comportamiento frente a distintos disolventes or- gnicos y reactivos qumicos (Cremonesi, 2002:48). Este procedi- miento podra simplificar la metodologa de trabajo y hacerla ase- quible a los talleres de restauracin que no posean las tcnicas ins- trumentales necesarias para el anlisis de aglutinantes. Actividad enzimtica y concentracin de las disoluciones enzimticas Las enzimas son extradas de sus fuentes biolgicas (bacterias, hongos, tejidos animales o tejidos vegetales), generalmente, me- diante los procedimientos tpicos de aislamiento y purificacin de protenas. Cualquiera que sea el mtodo empleado, las enzimas se PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34 029 8 En ingls el proceso de entrecruzamiento es denominado como crosslinking 7. caracterizan por su actividad o capacidad para catalizar una cier- ta reaccin. Incluso cuando las enzimas se utilizan en condiciones ptimas de pH y temperatura, la velocidad de reaccin va a de- pender de la actividad de la solucin enzimtica. La actividad especfica de una enzima se define como el nmero de unidades de actividad por miligramo (mg) de protena para un determinado estado de purificacin de la protena (Copeland, 2000:257). A su vez, por convenio se define una unidad de activi- dad enzimtica como la cantidad de enzima que transforma un mi- cromol (10 6 moles) de sustrato por minuto, a una temperatura de 25C y una presin de una atmsfera. Cuando este criterio de de- finicin no se sigue, el fabricante suele especificar las condiciones en las que se han realizado los ensayos de actividad. Wolbers (1990:112) y Belluchi y Cremonesi (1994) apuntan que para la mayor parte de las protenas existe un lmite de solubilidad prximo a los 10 mg/ml, de forma que cuando se preparan diso- luciones que superan esta concentracin, el exceso no se disuelve y, por tanto, tampoco contribuye a aumentar la actividad de la so- lucin. Por esta razn, es recomendable elegir enzimas con una actividad especfica elevada para conseguir soluciones efectivas a bajas concentraciones de enzima. Wolbers propone como punto de partida la utilizacin de soluciones de aproximadamente 1.000 unidades de actividad enzimtica/ml (Wolbers 1990:112). Respecto a los valores de actividad aportados por el fabricante, hay que tener en cuenta que suelen referirse a la actividad de la enzima sobre sustratos diferentes a los que se van a tratar en los procesos de restauracin. Por ejemplo, la medida de la actividad de la colagenasa, enzima que cataliza la hidrlisis del colgeno, se realiza sobre el col- geno nativo y no sobre la cola animal empleada en las obras de arte. Aunque la cola se obtiene a partir del colgeno contenido en las pie- les, tendones y huesos de vertebrados superiores, su estructura difie- re de la del colgeno nativo. Por otra parte, en estas medidas tampo- co han sido consideradas las transformaciones que el sustrato haya podido sufrir durante el envejecimiento, ni las posibles interferencias con otros materiales presentes en la obra como, por ejemplo, pigmen- tos y cargas. Por este motivo siempre ser necesario buscar las condi- ciones ms adecuadas a cada caso concreto y realizar ensayos previos sobre los materiales que se van a eliminar (Blasco et al., 2004). Pureza de las preparaciones enzimticas Para que el tratamiento sea adecuado es necesario conocer con de- talle el grado de pureza de la enzima seleccionada. Las enzimas disponibles comercialmente tienen composiciones variables, pues- to que a menudo son mezclas; y por otra parte su especificidad y actividad pueden no ser del todo conocidas. En este sentido, hay que sealar que algunas casas comerciales aaden sustancias como estabilizadores o tampones (De Santis, 1983); asimismo, otros preparados pueden ser mezclas de varias enzimas o incluso llevar pequeas proporciones de enzimas no especificadas por el fa- bricante, que pueden suponer un peligro para la obra tratada. Por ejemplo, algunas proteasas obtenidas a partir de extractos de tejido pancretico pueden ir acompaadas de pequeas cantidades de li- pasas y amilasas. Adems pueden contener precursores o zimge- nos9 de otras enzimas que pueden ser activados por la accin de otras proteasas. Por todas estas razones la utilizacin de este tipo de preparados no es aconsejable (Belluchi y Cremonesi, 1994). Dado que la seguridad del tratamiento enzimtico depender de la pu- reza de la preparacin enzimtica utilizada, algunos autores conside- ran que es importante determinar el grado de pureza y la actividad de una enzima, a partir de la realizacin de los correspondientes ensayos de actividad (Grattan et al., 1987). A este respecto es importante des- tacar que para que una enzima pueda ser utilizada en restauracin debe tratarse de un reactivo bien caracterizado, con el fin de minimi- zar el tiempo de actuacin y la concentracin de la enzima. Condiciones ptimas de trabajo Una vez seleccionada la enzima, es necesario definir las condicio- nes de trabajo; es decir, pH del medio, temperatura, tiempo de aplicacin, concentracin de la enzima y presencia de aditivos, ya que stas resultan fundamentales, tanto para controlar la actividad de la enzima como para evitar posibles daos a la obra tratada. La mayora de los autores (Segal and Cooper, 1987; Grattan et al., 1987; Meyer, 1992; Belluchi y Cremonesi, 1994; Cremonesi, 1997:102-104; Cremonesi, 2002:49; Wolbers, 1990:111) consideran que es necesario utilizar las enzimas en sus condiciones operativas ptimas y, adems, aconsejan emplear la menor concentracin po- sible de enzima. Esta ltima recomendacin tiene por finalidad mi- nimizar la presencia de residuos enzimticos que pueden quedar re- tenidos en la obra despus del tratamiento. Este es otro de los fac- tores importantes a considerar y ser discutido ms adelante. Medio de aplicacin. Utilizacin de tampones Para que la enzima sea activa es necesario trabajar en un medio acuoso que permita que la protena adopte su conformacin nativa. Por esta razn, el agua utilizada debe ser destilada y estar libre de iones metlicos que puedan modificar su actividad. Asimismo, y con el fin de asegurar un valor de pH que permita la accin hidroltica de la enzima, se suele recurrir a la utilizacin de disoluciones tampn que, como es sabido, tienen la capacidad de mantener un pH cons- tante, aunque la disolucin se ponga en contacto con pequeas can- tidades de cido o base. En este sentido, es frecuente encontrar sus- tancias de carcter cido o bsico dentro de la obra, bien debido a su propia composicin inicial o a los procesos de envejecimiento. Por ejemplo, los aceites secantes y las resinas naturales tienen un cierto carcter cido que se puede incrementar durante el envejecimiento. Criterios Fundamentos y antecedentes de la utilizacin de enzimas en tratamientos de limpieza Isabel Blasco Castieyra y otros PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34030 9 Zimgenos: precursores enzimticamente inactivos 10 Tris base: tris (hidroximetil) amino metano 8. Autores como Belluchi y Cremonesi (1994) recomiendan la utilizacin de tampones que simulen las condiciones biolgicas, preparados a una concentracin 0,05 M en soluciones acuosas y con un pH que se ajuste a las necesidades de la enzima elegida. Aunque los tampones propuestos por los diferentes autores son va- riados, Cremonesi (2002) aconseja el uso de tampones Tris-HCl10 , para valores de pH comprendidos entre 7,20 y 9,00, y de tampo- nes acetato (pH entre 4-5) o tampones fosfato (pH entre 6-7) cuan- do se necesita un pH ms bajo. Por otra parte, ante la necesidad de minimizar la presencia de residuos enzimticos sobre la obra despus de los tratamientos, Diana Nikolo- va (1994) propone la utilizacin de tampn acetato 0,1 M a pH 5 (CH3COONH4/CH3COOH) debido a la volatilidad de sus componentes. Hay que destacar que algunos investigadores (Cooper et al., 1987) han utilizado disoluciones acuosas de disolventes orgni- cos, concretamente soluciones de 2-metoxietanol o de 2-propanol al 45% en agua destilada. Estas condiciones han resultado efi- caces en la eliminacin de restos de almidn mediante el uso de una enzima especfica para fragmentar este tipo de sustancias (-amilasa); este proceso ha sido llevado a cabo en documentos con tintas solubles en agua que no podan tratarse en un medio totalmente acuoso. Estos autores observaron que, aunque en estas condiciones la actividad de la enzima decaa considerable- mente, segua siendo suficiente para hidrolizar el adhesivo de al- midn y favorecer su eliminacin. Temperatura y pH El efecto de estos factores sobre la actividad enzimtica presenta unas caractersticas especiales. En trminos generales, cuando la temperatura aumenta, la actividad enzimtica tambin lo hace, hasta alcanzar un mximo, a partir del cual la actividad va decreciendo, debido a la desnaturalizacin de la enzima (Wolbers, 2000:132-134; Blasco et al., 2004). Un comportamiento semejante se observa si se compara el efecto del pH sobre la actividad enzimtica; existe un valor de pH ptimo para el que la actividad de la enzima es mxima, y por debajo o por encima de este valor, la actividad enzimtica es menor (Blasco et. al., 2004) . Dependiendo de la enzima, el interva- lo de pH o temperatura en el que la actividad es suficientemente ele- vada es ms o menos amplio (Grfico 1). Lgicamente, en aquellas enzimas que presentan un intervalo muy pequeo de pH o tempera- tura ptimos, el control de estos parmetros debe ser ms riguroso (Cremonesi, 1997:49-50). Una modificacin de pH puede producir un cambio conformacio- nal de la enzima que podra llegar a afectar a la regin donde se encuentra el centro activo, variando as la accesibilidad del sus- trato a dicho centro. Por otra parte, el pH va a condicionar el es- tado de ionizacin de ciertos grupos funcionales que son funda- mentales en el mecanismo de actuacin de la enzima. Wolbers ha comprobado que, cambiando las condiciones de pH, una misma enzima puede mostrar una mayor afinidad por un tipo u otro de sustrato. Experimentalmente, este mismo autor comprueba que el pH 8,5 es el adecuado para la hidrlisis de aceite de linaza utilizando una lipasa (Wolbers, 1990:113). Cuando se utilizan disoluciones acuosas de disolventes orgnicos como medio de aplicacin, Cooper y sus colaboradores (1987) desta- can la importancia del mantenimiento del pH ptimo, que en este caso es, adems, distinto del recomendado para medios acuosos. Concre- tamente, para la - amilasa preparada en 2-metoxietanol (al 45% en agua destilada), observan que un cambio de pH de 7 a 7,2 es res- ponsable de que la actividad enzimtica se vea reducida a la mitad. Accesibilidad del sustrato En general, las reacciones catalizadas por enzimas en los organis- mos vivos son reacciones en fase homognea; es decir, el sustrato est disuelto en el medio acuoso en el que se encuentra la enzima. Por el contrario, en la obra de arte, el sustrato es una superficie s- lida, insoluble en el medio acuoso en el que se disuelve la enzima, de forma que sta tiene que difundirse previamente en el sustrato para poder actuar sobre l. Esta circunstancia hace que la reaccin sea ms difcil o, al menos, ms lenta (Cremonesi, 2002:56). El poder de difusin de la enzima se ver limitado por el gran ta- mao que stas suelen presentar en disolucin. Este hecho se complica ms si la naturaleza de la superficie es hidrofbica, como ocurre en el caso de las pelculas de leo (Wolbers, 1990a:111; Belluchi y Cremonesi, 1994) o en superficies que pre- sentan una capa de suciedad de carcter graso, ya que la su- perficie externa que muestra la conformacin de la enzima en medio acuoso es fundamentalmente hidroflica. Para reducir este problema, muchos autores han optado por la utili- zacin de sustancias tensoactivas (en concentraciones muy bajas) que mejoran el mojado de la solucin enzimtica y, de esta manera, se favorece la difusin y se facilita la accesibilidad de la enzima al sustrato, promoviendo la reaccin enzimtica. Wolbers propone la adicin de tensoactivos no inicos como el Triton X-100 (Wolbers, 1990:111) o la utilizacin del cido deoxiclico (Wolbers 2000:136). A su vez, Belluchi y Cremonesi (1994) proponen utilizar otros tenso- activos no inicos como la bilis de buey, destacando que este tipo de tensoactivos no alteran el equilibrio electroltico y, por tanto, la solu- bilidad de la enzima. No obstante, siempre que se aaden sustancias a la solucin en- zimtica hay que tener en cuenta las posibles interferencias en su actividad (Knox, 1995). Utilizacin de agentes espesantes Los primeros tratamientos de limpieza con enzimas fueron realizados sobre obra grfica, y en estas primeras experiencias, el mtodo de apli- PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34 031 9. cacin consista en la inmersin de la obra en la solucin enzi- mtica. Esta metodologa implicaba la necesidad de preparar grandes volmenes de este tipo de soluciones y adems resul- taba problemtica cuando las tintas o las policromas eran so- lubles en medio acuoso. La solucin que se propuso a este pro- blema fue el uso de geles preparados a partir de disoluciones coloidales de elevada viscosidad, conocidas tambin como es- pesantes, en las que a su vez se disolva la enzima. La primera cita relacionada con la utilizacin de estas sustan- cias como sistema para la aplicacin local de soluciones enzi- mticas ya mencionaba las posibles ventajas de este mtodo (Hatton, 1977), que son: necesidad de un menor volumen de di- solucin enzimtica (con lo que se reducen costes), posibilidad de aplicacin puntual en la obra de arte y adems transparen- cia de los geles, propiedad que permite observar la evolucin del proceso. Otra ventaja asociada al uso de estas soluciones es que dis- minuyen la penetracin, lo que es importante cuando la pel- cula pictrica est fragmentada (Wolbers, 1988). En un traba- jo posterior se resalta la ventaja de mantener las condiciones de humedad durante un tiempo ms prolongado (Blher and Banik, 1996). Los agentes espesantes ms recomendados son los teres de celulosa y, entre ellos, los ms comunes son: la metilcelulo- sa (comercializada con distintas denominaciones segn el fa- bricante: Benecel, Culminal, Glutofix, Methocel A, Tylose) y la hidroxipropilcelulosa (de nombre comercial Klucel), todos ellos compuestos que en disolucin acuosa se comportan como no electrolitos y, por tanto, son compatibles con todas las condiciones de pH (Cremonesi, 2000:52). Por el contra- rio, la carboximetil-celulosa, al ser una sal sdica, en disolu- cin acuosa se comporta como un polielectrolito por lo que su accin espesante se ve afectada por las condiciones de pH; concretamente cuando el medio es cido su accin es- pesante disminuye, por lo que en estas condiciones no es aconsejable su utilizacin. La viscosidad recomendada para este tipo de soluciones es de 4000 cp (centipoises), valor que se alcanza con concentracio- nes entre 2-4% peso/volumen (Cremonesi 2002:52). El principal inconveniente asociado al empleo de agentes espe- santes es la posible permanencia de residuos slidos en la obra, lo que se puede reducir con un lavado adecuado. Otro aspecto que hay que considerar es su efecto sobre la actividad de la en- zima, que normalmente se ve modificada y ms concretamente disminuida; en este sentido, Erickson (1992) aconseja un incre- mento de la concentracin de enzima en un factor de orden 10, con respecto a la utilizada en soluciones acuosas. Residuos enzimticos Uno de los principales problemas que surge, como consecuencia de la utilizacin de enzimas en procesos de limpieza de obras de arte, es la posible permanencia de residuos despus del trata- miento, y la falta de un conocimiento preciso sobre el efecto ne- gativo que stos pueden llegar a provocar sobre la obra a largo plazo. Para reducir la actividad de los posibles residuos enzim- ticos, una vez finalizado el tratamiento de limpieza, el procedi- miento general aconsejable es el siguiente: > Lavado de la zona tratada para eliminar al mximo los restos de componentes de la solucin enzimtica: enzimas, tampones, agen- tes espesantes y tensoactivos. > Desactivacin de la enzima con el fin de asegurar que los posi- bles residuos no sean activos. Como mtodos de lavado se han utilizado diferentes alternativas: agua destilada, tampn de la disolucin enzimtica empleada (Meyer et al., 1992), saliva sinttica (Cremonesi, 2002:86) y di- solventes orgnicos (Tallent, 1985). Para conocer la eficacia de estos procedimientos, se recomienda cuantificar los residuos una vez efectuados los distintos tratamien- tos para su eliminacin. Algunos autores han desarrollado proto- colos que permiten valorar cuantitativamente estos residuos (Ta- llent, 1985, Erickson, 1992, Meyer et al., 1992). Las primeras medidas de residuos enzimticos fueron realizadas despus del tratamiento con una lipasa. La cantidad de enzima eliminada despus de los lavados se determin mediante un m- todo colorimtrico de deteccin de protenas (Tallent, 1985). Meyer et al., (1992) realizaron un estudio utilizando enzimas mar- cadas con yodo radiactivo sobre papel evaluando, por una parte, la eficacia de distintos procedimientos de lavado y, por otra, la in- fluencia de las condiciones de realizacin de la incubacin11 en la cantidad de enzima retenida. Las principales conclusiones de los resultados obtenidos fueron las siguientes: > La cantidad de enzima retenida en el papel no era muy elevada y, aparentemente, dependa de la pureza y concentracin de la en- zima. sta se incrementaba al aumentar su concentracin, lo que confirma la necesidad de utilizar las concentraciones ms bajas posibles en los tratamientos, partiendo de preparados enzimticos de mxima pureza. > La utilizacin como sistema de lavado de soluciones con el pH ptimo, recomendado para las enzimas durante el tratamiento en- zimtico, daba lugar a una ligera reduccin en la cantidad de en- zima retenida. Criterios Fundamentos y antecedentes de la utilizacin de enzimas en tratamientos de limpieza Isabel Blasco Castieyra y otros PH Boletn del Instituto Andaluz del Patrimonio Histrico, n 53, abril 2005, p. 24-34032 10. Los autores destacan que estos resultados no pueden generalizar- se para otras enzimas distintas a las ensayadas y sugieren la rea- lizacin de estudios al respecto. Por otra parte, para lograr la desactivacin de la enzima se puede optar por su desnaturalizacin o por su inhibicin. En el primer caso se han propuesto distintas alternativas: a) la realiza- cin de lavados con agua caliente (Hatton, 1977), b) la utiliza- cin de disolventes (Segal and Cooper, 1977, Hatton, 1977) o c) la modificacin del pH. En cualquier caso, es absolutamente ne- cesario efectuar un lavado previo con el fin de eliminar la mayor cantidad posible de residuo enzimtico, puesto que la desnatu- ralizacin puede provocar su precipitacin (De Santis, 1983; Erickson, 1992). En cuanto a la utilizacin de inhibidores enzimticos, Nikolova (1993) propone la posibilidad de utilizar estos inhibidores para evitar posibles situaciones de riesgo, despus de la realizacin de tratamientos enzimticos. Las principales ventajas que presenta su utilizacin seran: gran especificidad, rapidez de actuacin, fcil disolucin en agua y escasa peligrosidad en su manipula- cin. No obstante, las investigaciones realizadas no han sido su- ficientes y queda por establecer la eficacia de estos tratamientos y sus posibles efectos sobre la obra de arte. Conclusiones > Los sistemas tradicionales de limpieza de policromas son, a menudo, poco especficos y agresivos para la obra y txicos para el restaurador. Frente a stos, las enzimas presentan como prin- cipales ventajas: a) especificidad de actuacin sobre los mate- riales que se quieren eliminar sin que se vean afectados otros componentes de la obra, b) eficacia de los tratamientos en unas condiciones de trabajo poco agresivas para la obra de arte y c) baja toxicidad para el restaurador. > Las enzimas que resultan eficaces para su uso en procesos de limpieza de obras de arte son las hidrolasas: amilasas, proteasas y lipasas, que fragmentan respectivamente el almidn, las prote- nas y los lpidos. Su eleccin depender de la naturaleza de la sustancia que se quiera fragmentar y de las caractersticas de los materiales que deben permanecer inalterados. > Para su empleo hay que tener en cuenta las caractersticas de la enzima (actividad y pureza), as como las condiciones ptimas de trabajo (concentracin, pH, temperatura, tiempo de actua- cin). Adems, estas condiciones deben ser compatibles con las caractersticas de la obra que se va a tratar. > Para minimizar los posibles residuos enzimticos que puedan quedar sobre la obra una vez efectuado el tratamiento, es nece- sario realizar los correspondientes lavados. Tambin se reco- mienda su desactivacin que debe realizarse siempre despus del proceso de lavado. > Los trabajos realizados sobre el empleo de enzimas en el campo de la restauracin son escasos y han sido realizados principalmen- te sobre obra grfica. Adems las publicaciones derivadas de estas investigaciones no suelen detallar los protocolos seguidos, por lo que en muchos casos, su interpretacin resulta difcil. > Sera necesario desarrollar una metodologa especfica para estudiar la eficacia de estos tratamientos en la limpieza de obras policromadas. Como fase previa es imprescindible reali- zar la eleccin y caracterizacin de las enzimas ms adecua- das para eliminar las distintas sustancias que alteran la obra de arte (suciedad, repintes, sustancias alteradas), as como el estudio de su especificidad, eficacia y condiciones ptimas de utilizacin. > Debido a las caractersticas propias de la obra, la retencin es- pecfica de la enzima y la complejidad de las disoluciones em- pleadas, sera muy aconsejable la cuantificacin de los residuos despus de los tratamientos y estudiar su efecto a largo plazo. Agradecimientos Este trabajo forma parte del proyecto (06/0171/03) titulado La utilizacin de enzimas en los procesos de limpieza de obras de arte financiado por la DGI de la Consejera de Educacin de la Comunidad de Madrid. Las autoras tambin agradecen a Silvia Garca Fernndez-Villa la realizacin de las figuras. Bibliografa BELLUCHI, R. Y CREMONESI, P. (1994). Luso degli enzymi nella conservazio- ne e nel restauro dei dipinti. 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